磁栅的工作原理与结构详解

1.磁栅的结构

磁栅又叫磁尺，是一种高精度的位置检测装置，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成，是用拾磁原理进行工作的。首先，用录磁磁头将一定波长的方波或正弦波信号录制在磁性标尺上作为测量基准，检测时根据与磁性标尺有相对位移的拾磁磁头所拾取的信号，对位移进行检测。磁栅可用于长度和角度的测量，精度高，安装调整方便，对使用环境要求较低，如对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污和粉尘较多的场合使用有较好的稳定性。高精度的磁栅位置检测装置可用于各种精密机床和数控机床。其结构如图7-38所示。

1）磁性标尺

图7-38　磁栅的结构

磁性标尺分为基体和磁性膜。磁性标尺的基体由非导磁性材料（如玻璃、不锈钢、铜等）制成。磁性膜是一层硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），用涂敷、化学沉积或电镀的方法附在磁性标尺上，呈薄膜状。磁性膜的厚度为10～20μm，均匀地分布在基体上。磁性膜上有录制好的磁波，波长一般为0.005 mm、0.01 mm、0.2 mm、1 mm等几种。为了提高磁性标尺的寿命，一般在磁性膜上均匀涂上一层1～2μm的耐磨塑料保护层。

按磁性标尺基体的形状，磁栅可以分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转型磁栅。前三种磁栅用于直线位移的测量，后一种用于角度测量。磁栅长度一般小于600 mm，测量长距离时可以用几根磁栅接长使用。

2）拾磁磁头

拾磁磁头（磁头）是一种磁电转换器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通的变化率成正比，属于速度响应型磁头。而由于在数控机床上在运动和静止时都要进行位置检测，因此应用在磁栅上的磁头是磁通响应型磁头。它不仅在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时能拾取信号，而且在它们相对静止时也能拾取信号。其结构如图7-39所示。该磁头有两组绕组，即绕在磁路截面尺寸较小横臂上的激磁绕组和绕在磁路截面较大的竖杆上拾磁绕组。当对激磁绕组施加励磁电流ia=i0sinω0t时，在ia的瞬时值大于某一数值以后，横臂上的铁芯材料饱和，这时磁阻很大，磁路被阻断，磁性标尺的磁通Φ0不能通过磁头闭合，输出线圈不与Φ0交链。当在ia的瞬时值小于某一数值时，ia所产生的磁通Φ1也随之降低。两横臂中磁阻也降低到很小，磁路开通，Φ0与输出线圈交链。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。

图7-39　磁通响应型磁头

2.磁栅的工作原理

励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值，与此同时磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间内，输出线圈中交链磁通量由Φ0→0；磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链磁通量由0→Φ0。Φ0是由磁性标尺中的磁信号决定的，由此可见，输出线圈输出的是一个调幅信号：

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式中，Usc——输出线圈中输出感应电压；

Um——输出电势的峰值；

λ——磁性标尺节距；

x——选定某一N极作为位移零点，x为磁头对磁性标尺的位移量；

ω——输出线圈感应电压的幅值，它比励磁电流ia 的频率ω0高1倍。

由式（7-10）可知，磁头输出信号的幅值是位移x 的函数。只要测出Usc过0的次数，就可以知道x的大小。

使用单个磁头的输出信号小，而且对磁性标尺上的磁化信号的节距和波形要求也比较高。实际使用时，将几十个磁头用一定的方式串联，构成多间隙磁头使用。

为了辨别磁头的移动方向，通常采用间距为（m+1/4）λ的两组磁头（λ=1，2，3，…），并使两组磁头的励磁电流相位相差45°，这样两组磁头输出的电势信号相位相差90°。

如果第一组磁头输出信号是

则第二组磁头输出信号是

磁栅检测是模拟量测量，必须和检测电路配合才能进行检测。磁栅的检测电路包括磁头激磁电路，拾取信号放大、滤波及辨向电路，细分内插电路，以及显示及控制电路等各部分。

根据检测方法的不同，磁栅检测也可分为幅值检测和相位检测两种，通常相位检测应用较多。